[논문]영상의 복잡도를 이용한 장면 전환 추정과 H.264/AVC 비트율 제어

김종구; 서재원

영상의 복잡도를 이용한 장면 전환 추정과 H.264/AVC 비트율 제어
H.264/AVC Rate Control for Scene Change with Complexity of Sequence 원문보기

김종구 (충북대학교) , 서재원 (충북대학교)

본 논문에서는 프레임 안에서의 인접픽셀간의 복잡도를 이용하여 할당비트 조절과 장면 전환을 추정하는 H.264/AVC 비트율 제어 기법을 제안한다. Quadratic 율-왜곡 모델은 프레임 할당 비트와 선형 모델을 통해 예측된 MAD정보를 필요로 한다. 이때 장면전환과 같은 급격한 화질 변화는 예측된 MAD정보만으로는 적합한 양자화파라미터를 결정하지 못하고 이후 비트율 제어를 어렵게 한다. 제안하는 방법은 프레임 안에서 인접픽셀간의 차분 값들의 절대 합을 구하여 이전프레임과 현제프레임의 비로 나타낸 후 이 값의 일정 범위를 벗어나면 장면전환이 이루어진 것으로 간주하여 이에 알맞은 양자화 파라미터 결정기법을 적용하도록 하였다.

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문제 정의

이것이 비트율 제어(Rate Control)알고리즘이 필요한 이유이다. 비트율 제어는 기본적으로 채널 용량이 허용하는 비트 량과 영상이 가지고 있는 비트량과 화질을 고려하여 최적의 부호화 성능을 가지도록 하는데 목적을 둔다. 영상의 화질과 압축률을 조절하는 가장 효율적인 방법은 양자화 파라미터를 이용하는 것이다.
264/AVC 비트율 제어 과정에서 사용된 모델들은 선형 혹은 확률을 기반으로 적용하고 있기 때문에 장면 전환과 같은 급격한 변화를 갖는 장면을 제어함에 있어 효율이 떨어지게 된다. 여기서는 장면전환이 이루어짐을 검출하고 이때 효율적인 비트율 제어가 이루어지도록 하는 알고리즘을 제안하겠다.

제안 방법

H.264/AVC에 사용된 압축 기술로는 시·공간적으로 중복된 정보를 제거하기 위해 복수 참조 영상을 이용한 가변 블록 크기의 움직임 추정, 16×16 및 4×4 크기의 화소를 이용한 공간적 예측 모드 등을 사용하여 좀 더 정밀한 예측을 가능케 하였다.
이때 영상이 가지고 있는 정보는 그 양이 너무 크기 때문에 저장매체나 실시간 전송을 통해 전송할 때 효율적이 못하다. 그래서 압축을 통해 실시간 전송이나 정보의 저장을 효율적으로 하기위해 동영상 압축 기술에 대한 표준안을 채택하여 영상을 효율적으로 전송하고 재생하는 기술인 디지털 비디오 코덱 표준을 만들었다.
(k)는 현재 영상과 이전 영상의 복잡도를 계산하여 비율로 나타낸 것으로 그 값이 커지면 현재 영상이 이전 영상보다 좀 더 복잡한 화면으로 구성되고 부호화 시 더 많은 비트가 소모될 것으로 생각해 볼 수 있다. 따라서 가용비트에 복잡도 비를 곱한 값을 이용해 좀 더 정확한 프레임할당 비트를 구하도록 설정한다.
본 논문에서는 제안한 비트율 제어 방법의 성능을 검증하기 위해서 H.264/AVC 표준 소프트웨어 JM-14.0 환경에서 실험을 수행하였다. 실험 조건은 <표 4.
이렇게 구해진 각 프레임의 복잡도를 이전 프레임과 현재 프레임의 비를 적용하여 장면전환 여부를 판별한다.

성능/효과

위 실험을 통해 (1),(4)영상은 복잡도가 증가하는 방향으로 장면전환이 이루어졌음을 확인할 수 있다. (2),(3)영상의 경우는 48k의 비트 율로 부호화시 목표 비트에 근접한 결과를 얻을 수 있었으나 (1),(4)영상은 목표비트에 근접하지 못하는 비트율로 부호화 되었다. 복잡도가 증가하는 방향으로 장면전환이 이루어진 경우 이차원 R-D모델을 적용하여 양자화 파라미터를 결정하면 장면전환 이후 프레임의 비트율 제어가 제대로 이루어지지 않는다.
따라서 이러한 예외적인 상황에 대한 비트율 제어 알고리즘이 필요하며 본 논문은 실험에서 나타난 바와 같이 즉각적인 QP조절을 통해 장면 전환 이후의 비트 고갈 문제를 해결할 수 있다. 결과적으로 본 논문의 알고리즘이 급격한 화질 변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 설계되었다는 것을 확인할 수 있다.
264/AVC에 사용된 압축 기술로는 시·공간적으로 중복된 정보를 제거하기 위해 복수 참조 영상을 이용한 가변 블록 크기의 움직임 추정, 16×16 및 4×4 크기의 화소를 이용한 공간적 예측 모드 등을 사용하여 좀 더 정밀한 예측을 가능케 하였다. 더욱이 비트율-왜곡 최적화 기법(RDO, Rate Distortion Optimization)을 기반으로 부호화 모드의 결정을 최적화 하여 예측 부호화의 정확도를 높여 부호화 효율을 크게 향상 시켰다. 또 DCT(Discrete Cosine Transform)를 통해 정보를 변환 압축하며 최종적으로 가변길이 부호화 방식을 이용하여 압축정보를 전송하는 기술이 사용되고 있다.
실험에서 보여주듯 장면전환 등과 같은 급격한 화질 변화에 대한 즉각적인 QP 변화가 실현되지 않았을 경우 이후 프레임들의 비트율 제어를 어렵게 만들고 결국 목표 비트에 도달하는 것이 어렵게 된다. 따라서 이러한 예외적인 상황에 대한 비트율 제어 알고리즘이 필요하며 본 논문은 실험에서 나타난 바와 같이 즉각적인 QP조절을 통해 장면 전환 이후의 비트 고갈 문제를 해결할 수 있다. 결과적으로 본 논문의 알고리즘이 급격한 화질 변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 설계되었다는 것을 확인할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

H.264/AVC란?

디지털 비디오 코덱 표준의 한 종류인 H.264/AVC는 ITU-T(Video Coding Experts Group)과 ISO/IEC(Moving Picture Experts Group)이 공동으로 연구한 표준안이다. H.

비트율 제어의 목표는 무엇인가?

비트율 제어는 양자화파라미터 결정→RDO→MAD산출→부호화 단계를 거치며 실제 발생 비트량과 목표 비트량의 간격을 좁히는 것이 목표이다. 여기서 양자화 파라미터는 비트율 제어를 통해서만 결정이 되는 것을 알 수 있다.

비트율 제어가 필요한 이유는 무엇인가?

하지만 보통 채널의 용량은 일정한 크기의 정보를 전송할 수 있게 되어 있으나 영상 정보는 한 화면마다 각기 다른 정보량을 가지게 된다. 여기서 우리는 일정한 채널 용량에 맞춰서 각각의 화면 정보를 전송할 필요가 있다. 이것이 비트율 제어(Rate Control)알고리즘이 필요한 이유이다.

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